第七章 数字调制技术

第七章数字调制技术第一页，共七十二页，2022年，8月28日DigitalData,AnalogSignalTreattransmissionandreceptionasdigitizedAmplitudeShiftKeying(ASK)PhaseShiftKeying(PSK)Freq.ShiftKeying(FSK)ExampleShortmessage(短信息)Modem(调制解调器)7.1概述第二页，共七十二页，2022年，8月28日第三页，共七十二页，2022年，8月28日Modulationanddemodulationsynchronizationdecisiondigitaldataanalogdemodulationradiocarrieranalogbasebandsignal101101001radioreceiverdigitalmodulationdigitaldataanalogmodulationradiocarrieranalogbasebandsignal101101001radiotransmitter第四页，共七十二页，2022年，8月28日DigitalDatatoAnalogSignals第五页，共七十二页，2022年，8月28日ModulationofdigitalsignalsknownasShiftKeyingAmplitudeShiftKeying(ASK,幅移键控)verysimplelowbandwidthrequirementsverysusceptibletointerferenceFrequencyShiftKeying(FSK,频移键控)needslargerbandwidthPhaseShiftKeying(PSK,相移键控)morecomplexrobustagainstinterferenceDigitalDatatoAnalogSignals第六页，共七十二页，2022年，8月28日

7.2二进制数字调制7.2.1二进制幅度键控（2ASK）幅度键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制幅度键控。第七页，共七十二页，2022年，8月28日GenerationofASKSignalsSimplestmethodforbinaryASKistouseaswitchtogatethecarrieronandoff,drivenbythedatasignal.第八页，共七十二页，2022年，8月28日DigitalamplitudemodulationbyabinarysignalisThemodulatingsignal[vm(t)]isanormalizedbinarywaveform,where+1V=logic1and–1V=logic0.ASK第九页，共七十二页，2022年，8月28日ASKForlogic1input,vm(t)=1andEquationreducestoForlogic0input,vm(t)=-1andEquationreducesto第十页，共七十二页，2022年，8月28日ASKOnebinarydigitrepresentedbypresenceofcarrier,atconstantamplitude.Otherbinarydigitrepresentedbyabsenceofcarrier.第十一页，共七十二页，2022年，8月28日Figure第十二页，共七十二页，2022年，8月28日ASKThecarrierissimplyturnedonoroff.DigitalamplitudemodulationisalsoknownasON–OFFKeying(OOK,开关键控).Low-quality,lowcost,therefore,seldomusedinhigh-capacity,highperformancecommunicationssystem.第十三页，共七十二页，2022年，8月28日ASK第十四页，共七十二页，2022年，8月28日ASK信号的功率谱由于二进制振幅键控信号是随机的、功率型的信号，故研究频谱特性时，应该讨论它的功率谱密度。 第十五页，共七十二页，2022年，8月28日

ASK信号的功率谱密度PE(f)是相应的单极性数字基带信号功率谱密度Ps(f)形状不变地平移至±fc处形成的。

ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱两部分组成。ASK信号的功率谱第十六页，共七十二页，2022年，8月28日

ASK信号的带宽BASK是单极性数字基带信号带宽fs的两倍。当数字基带信号的基本脉冲是矩形不归零脉冲时，fs=1/Ts。于是ASK信号的带宽为BASK=2fs=2/Ts

ASK信号的主要优点是易于实现，其缺点是抗干扰能力不强，主要应用在低速数据传输中。ASK信号的带宽第十七页，共七十二页，2022年，8月28日ASK信号的功率谱密度示意图第十八页，共七十二页，2022年，8月28日ASK信号的解调方法带通滤波器整流器低通滤波器取样判决器(a)包络检波定时脉冲带通滤波器取样判决器低通滤波器相乘器(b)相干解调定时脉冲第十九页，共七十二页，2022年，8月28日 在相同的信噪比条件下，相干解调法的误码性能优于包络检波法的性能； 在大信噪比条件下，包络检波法的误码性能将接近相干解调法的性能。 包络检波法存在门限效应，相干解调法无门限效应。ASK信号的抗噪声性能第二十页，共七十二页，2022年，8月28日7.2.2FrequencyShiftKeying(FSK)FSKhasbeenthemostwidelyusedformofdigitalmodulationuntilrecently.simpletogenerateanddetectinsensitivetoamplitudefluctuationsonthechanneldistinctcarrierfrequenciesrepresentsymbolstates第二十一页，共七十二页，2022年，8月28日FSKCanbeviewedastwo,separateASKsymbolstreamssummedpriortotransmission:第二十二页，共七十二页，2022年，8月28日FSKGenerationSwitch–>phasejumps第二十三页，共七十二页，2022年，8月28日FSKThegeneralexpressionforbinaryFSKisWhere△f

=peakfrequencydeviation

vm(t)=binaryinputmodulatingsignal(±1)△fisproportionaltotheamplitude.Themodulatingsignal[vm(t)]isanormalizedbinarywaveform,where+1V=logic1and–1V=logic0.第二十四页，共七十二页，2022年，8月28日FSKForlogic1input,vm(t)

=1andEquation12-2reducestoForlogic0input,vm(t)=-1andEquationreducesto第二十五页，共七十二页，2022年，8月28日FSK第二十六页，共七十二页，2022年，8月28日1101FSKExampleDataFSKSignal第二十七页，共七十二页，2022年，8月28日BFSKfs=fc+△f

iscalledthemarkfrequency(传号频率),fm=

fc－△f

iscalledthespacefrequency(空号频率).LesssusceptibletoerrorthanASKUsedforhigh-frequency(3to30MHz)radiotransmission第二十八页，共七十二页，2022年，8月28日 相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为BFSK信号的功率谱密度第二十九页，共七十二页，2022年，8月28日根据二进制振幅键控信号的功率谱密度，我们可以得到二进制移频键控信号的功率谱密度P2FSK(f)为相位不连续的二进制频移键控信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成,离散谱位于两个载频fm和fs处；连续谱由两个中心位于fm和fs处的双边谱叠加形成； 第三十页，共七十二页，2022年，8月28日BandwidthofFSK第三十一页，共七十二页，2022年，8月28日BandwidthofFSKTheminimumbandwidthtopassaFSKis

where第三十二页，共七十二页，2022年，8月28日BandwidthofFSKThepeakfrequencydeviationisgivenas第三十三页，共七十二页，2022年，8月28日Non-coherentFSKDetection第三十四页，共七十二页，2022年，8月28日FSKBinaryFSKhasapoorererrorperformancethanPSKorQAM.Seldomusedforhigh-performancedigitalradiosystems.Lowperformance,lowcost,asynchronousdatamodems第三十五页，共七十二页，2022年，8月28日7.2.3PhaseShiftKeying(PSK)

1.BinaryPSK(BPSK)BPSK(二进制相移键控)UsestwophasestorepresentbinarydigitsPhasesareseparatedby180degrees.Simpletoimplement,inefficientuseofbandwidth.Veryrobust,usedextensivelyinsatellitecommunication.第三十六页，共七十二页，2022年，8月28日BPSKExampleDataCarrierCarrier+pBPSKwaveform110101第三十七页，共七十二页，2022年，8月28日第三十八页，共七十二页，2022年，8月28日ConstellationDiagram(星座图)Aconstellationdiagram,whichissometimescalledasignalstate-spacediagram(信号状态空间图),issimilartoaphasor(向量)diagramexceptthattheentirephasorisnotdrawn.PropertiesofModulationSchemecanbeinferredfromConstellationDiagram.第三十九页，共七十二页，2022年，8月28日TruthTable(真值表)andConstellationDiagram第四十页，共七十二页，2022年，8月28日2.DifferentialPSK(DPSK)DPSK(差分相移键控):itisabouttheproblemofestablishingacoherentreferenceatthereceiver.PhaseshiftwithreferencetopreviousbitBinary0–signalburstofsamephaseasprevioussignalburstBinary1–signalburstofoppositephasetoprevioussignalburst第四十一页，共七十二页，2022年，8月28日DPSKSimplereceiver–nocarrierrecoverymechanismandstillgoodperformance.logic‘1’–>changeoflogicstatefrompreviouscodedbitlogic‘0”–>nochangeofstatefromthepreviouscodedbit第四十二页，共七十二页，2022年，8月28日DPSK第四十三页，共七十二页，2022年，8月28日DPSK第四十四页，共七十二页，2022年，8月28日PSK及DPSK信号的功率谱密度 PSK与DPSK信号有相同的功率谱。 PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则PSK信号的功率谱为

一般情况下二进制移相键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两倍。 当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱，如上式所示。第四十五页，共七十二页，2022年，8月28日PSK(DPSK)信号的功率谱密度第四十六页，共七十二页，2022年，8月28日7.3二进制数字调制系统的性能比较在数字通信中，误码率是衡量数字通信系统的重要指标之一，下面我们将对二进制数字通信系统的误码率性能、频带利用率、对信道的适应能力等方面的性能做进一步的比较。

1.误码率二进制数字调制方式有2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK，每种数字调制方式又有相干解调方式和非相干解调方式。下表列出了各种二进制数字调制系统的误码率Pe与输入信噪比r的数学关系。第四十七页，共七十二页，2022年，8月28日表1二进制数字调制系统的误码率公式一览表调制方式误码率相干调节非相干调节2ASK2FSK2PSK/2DPSK第四十八页，共七十二页，2022年，8月28日 横向比较，对同一种数字调制信号，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。 纵向比较，在误码率Pe一定的情况下，2PSK/2FSK/2ASK系统所需要的信噪比关系为第四十九页，共七十二页，2022年，8月28日误码率Pe与信噪比r的关系曲线

第五十页，共七十二页，2022年，8月28日表2Pe=10-5时2ASK、2FSK和2PSK所需要的信噪比方式信噪比倍分贝2ASK36.415.62FSK18.212.62PSK9.19.6表3r=10时2ASK、2FSK方式误码率相干解调非相干解调2ASK1.26×10-24.1×10-2

2FSK7.9×10-4

3.37×10-32PSK3.9×10-62.27×10-5

第五十一页，共七十二页，2022年，8月28日

2.频带宽度若传输的码元时间宽度为Ts，则2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度近似为2/Ts，即

2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统具有相同的频带宽度。2FSK系统的频带宽度近似为

大于2ASK系统或2PSK系统的频带宽度。因此，从频带利用率上看，2FSK系统的频带利用率最低。第五十二页，共七十二页，2022年，8月28日3.对信道特性变化的敏感性 在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。 在2PSK系统中，当发送符号概率相等时，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，判决门限不随信道特性的变化而变化，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。 对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2(当P(1)=P(0)时)，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，因此，2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。第五十三页，共七十二页，2022年，8月28日 在恒参信道传输中，如果要求较高的功率利用率，则应选择相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可取； 如果要求较高的频带利用率，则应选择相干2PSK和2DPSK，而2FSK最不可取。 若传输信道是随参信道，则2FSK具有更好的适应能力。第五十四页，共七十二页，2022年，8月28日7.4多进制数字调制系统BinaryFSKandBPSKareM-arysystemswhereM=2.ThenumberofoutputconditionsisexpressedmathematicallyasWhereN=numberofbitsencoded第五十五页，共七十二页，2022年，8月28日7.4.1Four-levelPSK(QPSK)Eachelementrepresentsmorethanonebit.MultilevelModulationTechnique:2bitspersymbolMorespectrallyefficient,morecomplexreceiver.TwotimesmorebandwidthefficientthanBPSK第五十六页，共七十二页，2022年，8月28日QPSKTimePlot0O90O180O270O第五十七页，共七十二页，2022年，8月28日第五十八页，共七十二页，2022年，8月28日FigureThe4-PSKcharacteristics第五十九页，共七十二页，2022年，8月28日QPSKWithQPSK,eachofthefourpossibleoutputphasorshasexactlythesameamplitude.DistinguishPSKfromQAMaccordingtothecharacteristic.第六十页，共七十二页，2022年，8月28日7.4.28-PSK第六十一页，共七十二页，2022年，8月28日8-PSKTheangularseparationbetweenanytwoadjacentphasorsis45degree,halfwhatitiswithQPSK.Itcanundergoalmosta±22.5degree.Graycode(格雷编码):thetribitcode(3比特组编码)betweenanytwoadjacentphaseschangesbyonlyonebit.第六十二页，共